以酒糟为原料的沼气发酵条件研究

于萌萌， 吕志凤， 田开艳， 丁清华， 张元成

(山东宝力生物质能源股份有限公司， 山东 东营 257000)

目前，世界上85%的能源是通过不可再生的矿物资源获得的，由于矿物资源的储量有限以及人们环保意识的增强，促使人们开始寻找新的替代资源[1-4]。利用甜高粱秸秆加工非粮生物乙醇具有不与人争粮、不与粮争地、不与传统行业争利、不与其他国家争资源的优点，对于提升未来能源结构、确保能源安全、持续改善人类生存环境具有重要的战略意义[5]。但是利用甜高粱秸秆生产乙醇会产生大量的酒糟，这些酒糟若储存不当或未及时利用，易霉变变质，不仅浪费了宝贵的资源，还会严重污染周围环境[6-7]。

目前，我国能源资源短缺，人均天然气资源占有量远远低于世界人均资源量[8]。如果通过沼气发酵技术将甜高粱秸秆生产生物乙醇产生的酒糟转化成可再生清洁能源—沼气，不但解决了大量酒糟无法处理的难题，而且生成的沼气首先可直接用作户用燃气或沼气发电，进一步提纯后还可生产车用燃料或注入天然气管网；除此以外，发酵完成后产生的沼渣还可生产有机肥料，具有环境污染治理、可再生能源和土地改良等多方面的作用。本文旨在以甜高粱秸秆产乙醇后生成的酒糟为原料，主要考察温度、TS浓度,pH值以及接种物添加量等条件对其沼气发酵的影响，从而实现酒糟的充分利用，为企业的相关生产提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验用酒糟为以甜高粱秸秆为原料固态发酵产乙醇后剩下的醪渣，取自山东宝力生物质能源股份有限公司；试验用接种物为以玉米秸秆为原料正常产气的沼气罐中的沼液，取自山东宝力生物质能源股份有限公司；试验用调节pH值的碱液为1 mol·L-1的NaOH溶液。各种原料性质如表1所示。

表1 原料的基本性质 (%)

1.2 试验方法

采用橡皮塞封口的2000 mL的锥形瓶作为沼气发酵装置，1500 mL集气瓶和2500 mL烧杯为集气装置。具体的装置如图所示：

图1 沼气发酵装置

1.2.1 研究温度对酒糟沼气发酵影响的试验方法

在3个2000 mL锥形瓶中，都分别加入299 g酒糟以及312 mL接种物，补加自来水至1500 mL处，搅拌均匀，即酒糟的TS质量占发酵液质量的百分比为3.3%，接种物的TS质量占发酵液质量的百分比为1.5%，并在发酵前用1 mol·L-1的NaOH溶液将发酵液pH值调节到8.5左右，将3个发酵瓶分别放在常温25℃，中温38℃，高温55℃下的摇床内进行沼气发酵对比实验，每组实验均做3组平行试验，并用只加接种物与自来水的发酵液做空白实验。

1.2.2 研究酒糟TS浓度对其沼气发酵影响的试验方法

在6个2000 mL锥形瓶中，分别加入227 g，272 g，299 g，317 g，363 g，453 g酒糟，然后都分别加入312 mL接种物，补加自来水至1500 mL处，即酒糟的TS质量占发酵液质量的百分比分别为2.5%，3.0%，3.3%，3.5%，4.0%，5.0%，接种物的TS质量占发酵液质量的百分比为1.5%，并在发酵前用1 mol·L-1的NaOH溶液将每个发酵瓶中的发酵液pH值调节到8.5左右，将发酵瓶放在高温55℃下的摇床中进行沼气发酵对比实验，每组实验均做3组平行试验，并用只加接种物与自来水的发酵液做空白实验。

1.2.3 研究接种量对酒糟沼气发酵影响的试验方法

在5个2000 mL锥形瓶中，分别加入104 mL，208 mL，312 mL，416 mL，520 mL接种物，然后都分别加入299 g酒糟，补加自来水至1500 mL处，即接种物的TS质量占发酵液质量的百分比分别为0.5%，1.0%，1.5%，2.0%，2.5%，酒糟的TS质量占发酵液质量的百分比为3.3%，并在发酵前用1 mol·L-1的NaOH溶液将每个锥形瓶中的发酵液pH值调节到8.5左右，将发酵瓶放在高温55℃下的摇床中进行沼气发酵对比实验，每组实验均做3组平行试验，并用只加接种物与自来水的发酵液做空白实验。

1.2.4 研究pH值对酒糟沼气发酵影响的试验方法

在2个2000 mL锥形瓶中，都加入299 g酒糟以及312 mL接种物，补加自来水至1500 mL处，即酒糟的TS质量占发酵液质量的百分比为3.3%，接种物的TS质量占发酵液质量的百分比为1.5%，一个在发酵前用1 mol·L-1的NaOH溶液将发酵液pH值调节到8.5左右，另一个不对发酵液的pH值进行调节，都放在高温55℃下的摇床中进行沼气发酵对比实验，每组实验均做3组平行试验，并用只加接种物与自来水的发酵液做空白实验。

1.3 测定方法

日产气量与累计产气量通过排水集气法并扣除空白试验数据之后得到；每日的气体成分通过气相色谱(GC1120)测量；干物质(TS)含量与挥发性固体(VS)含量采用烘干法测定；总碳含量采用重铬酸钾法测定；总氮含量采用凯氏定氮法进行测定；纤维素含量采用范式纤维素方法进行测定；产气周期以达到累计产气量95%的天数计算；pH值用精密pH酸度计进行测定。

2 结果与讨论

2.1 温度对酒糟沼气发酵的影响

图2和图3分别为3种温度下酒糟的日产气量图与累计产气量图。由试验结果可知，在3种温度下酒糟均在发酵第1天就进入产气阶段，这可能是由于酒糟在发酵产乙醇的过程中，已经经历了初步发酵过程，在这个过程中酒糟的纤维素、半纤维素以及木质素之间的包裹作用得到初步分解，残留较多的糖类、酸类、醇类等易降解成分和小分子物质，并且酒糟的C/N为24，处在最佳产气C/N的范围内[9]。在高温下，酒糟产气在第9天达到最大峰值为3710 mL·d-1，产气周期为32天；在中温下，酒糟产气在第19天达到最大峰值为1760 mL·d-1，产气周期为39天；在常温下，酒糟产气在第26天达到最大峰值为1300 mL·d-1，产气周期为42天。由此可见，酒糟的产气峰值出现时间以及产气周期随着温度的升高而缩短。这是由于高温能够促进木质纤维素的降解，所以导致酒糟厌氧分解和发酵速度快[10-13]。由日产气量图可知，随着发酵时间的推移，在3种发酵温度下日产气量均出现多个小高峰，这是由于酒糟中含有乙醇、氨基酸、蛋白质等成分，而这些成分在发酵过程中水解、酸化和产气的时间不同，且具有阶段性，故出现较多个产气高峰[14]。

图2 不同温度下酒糟的日产气量图

图3 不同温度下酒糟的累计产气量图

由累计产气量数据可知，在高温下，酒糟产气的累计产气量为25200 mL，原料产气率高达509 mL·g-1TS；在中温下，酒糟产气的累计产气量为21400 mL，原料产气率为432 mL·g-1TS；在常温下，酒糟产气的累计产气量为19160 mL，原料产气率为387 mL·g-1TS。由此可见，随着温度的升高，酒糟的累计产气量以及原料产气率都增加。这是由于温度越高，纤维素降解越充分，微生物可利用的原料就会越多，沼气产量就越多[15]。所以实验确定酒糟产气的最佳温度为高温55℃。实验之所以选择在高温条件下对酒糟进行沼气发酵实验，是由于酒糟前期固态发酵产乙醇时在蒸馏后温度较高，带有一定的热量，如果酒糟从蒸馏塔出来后直接进行沼气发酵，就可以利用这部分热量从而节省能耗。

2.2 酒糟TS浓度对其沼气发酵的影响

图4和图5分别为不同酒糟TS浓度下的日产气量图以及累计产气量图。由结果可知，酒糟TS浓度从2.5%到3.3%时，发酵液均在发酵第1天就进入产气阶段，当酒糟TS浓度在2.5%时，发酵液产气速率在第13天达到最大峰值为1300 mL·d-1，累计产气量为16750 mL，原料产气率为447 mL·g-1TS；当酒糟TS浓度在3.0%时，发酵液产气速率在第11天达到最大峰值为1900 mL·d-1，累计产气量为19940 mL，原料产气率为443 mL·g-1TS；当酒糟TS浓度在3.3%时，发酵液产气速率在第9天达到最大峰值为3710 mL·d-1，累计产气量为25200 mL，原料产气率为509 mL·g-1TS。由此可见，当酒糟TS浓度从2.5%到3.3%时，随着TS浓度的增加，酒糟的产气速率峰值出现时间稍微缩短，产气速率峰值、累计产气量以及原料产气率逐渐增加。这是由于当酒糟TS浓度过低时，单位容积内含有的有机物的量就较少，产气量较少，所以在一定范围内，随着酒糟TS浓度的升高，累计产气量等会增加[16]。

酒糟TS浓度从3.3%到5%时，发酵液进入产气阶段的时间越来越长，当酒糟TS浓度为3.5%时，发酵液产气在第9天达到最大峰值为3600 mL·d-1，累计产气量为25430 mL，原料产气率为484 mL·g-1TS；当酒糟TS浓度为4%时，发酵液产气在第16天达到第1个最大峰值为1030 mL·d-1，累计产气量为26810 mL，原料产气率为447 mL·g-1TS；当酒糟TS浓度为5%时，发酵液产气在第21天达到第1个最大峰值为1500 mL·d-1，累计产气量为26640 mL，原料产气率为355 mL·g-1TS。由此可见，当酒糟TS浓度高于3.3%时，随着TS浓度的增加酒糟的产气高峰出现时间逐渐增长，累计产气量增加变得缓慢，原料产气率逐渐降低。这是由于当酒糟TS浓度过高时，产酸速度超过产甲烷速度，容易引起有机酸的积累，抑制产甲烷菌的活性，从而影响产气量[17]。

综上所述，酒糟在高温下沼气发酵的最佳TS浓度定为3.3%，比秸秆等沼气发酵的最佳TS浓度要低[16-18]。这可能是由于酒糟在前期发酵产乙醇时会有一部分酶、酵母等物质进入酒糟，增加了酒糟中易降解成分的含量，所以最终酒糟的相对有效TS含量较高[14]。

图4 不同酒糟TS浓度下的日产气量图

图5 不同酒糟TS浓度下的累计产气量图

2.3 接种量对酒糟沼气发酵的影响

图6和图7分别为不同接种物添加量下酒糟的日产气量图、累计产气量图。由结果可知，当接种物添加量为0.5%时，酒糟产气速率在第21天达到最大峰值为1010 mL·d-1，累计产气量为20060 mL；当接种物添加量为1.0%时，酒糟产气速率在第16天达到最大峰值为2070 mL·d-1，累计产气量为22370 mL；当接种物添加量为1.5%时，酒糟产气速率在第9天达到最大峰值为3710 mL·d-1，累计产气量为25200 mL。由此可见，当接种物添加量从0.5%提高到1.5%时，随着接种物添加量的增加，酒糟的产气速率峰值出现时间逐渐缩短，累计产气量逐渐增加。这是由于当接种物的接种量比较少时，发酵瓶中的甲烷菌含量相对较少，需要一个产甲烷菌种的富集过程，所以随着接种量的增加产气速率峰值出现时间逐渐缩短；这时酒糟的累计产气量主要由产甲烷菌的数量决定，所以随着接种量的增加累计产气量逐渐增加[16,19]。

当接种物添加量从1.5%提高到2.5%时，酒糟产气速率都在第9天左右达到最大峰值，分别为3710 mL·d-1，3310 mL·d-1，3340 mL·d-1，累计产气量分别为25200 mL，25430 mL，25570 mL。由此可见，当接种物添加量超过1.5%时，酒糟的产气速率峰值出现时间不再提前，累计产气量以及产气峰值的增加也变得缓慢。这是由于，当接种物的接种量到达一定值时，发酵瓶中的甲烷菌含量相对足够，不再需要产甲烷菌种的富集过程，所以产气速率峰值出现的时间基本相同。此时，酒糟的累计产气量主要由酒糟中的有机质总量决定而不是甲烷菌的数量决定，所以随着接种量的增加，累计产气量以及产气峰值的增加都变得十分缓慢。

综上所述，酒糟在高温下沼气发酵的最佳接种物添加量定为1.5%，此时，在节省接种物的条件下，酒糟的产气速率峰值出现时间以及累计产气量都达到最佳状态。试验之所以选择新鲜沼液作为接种物，而不选择猪粪、牛粪等作为接种物是由于试验采取的沼液是以玉米秸秆经过生物预处理后进行沼气发酵得到的，化学污染成分及重金属含量低，在实际生产中会对后续的污水处理环节有利。

2.4 pH值对酒糟沼气发酵的影响

图8和 图9分别为两组对比试验下酒糟的日产气量图、累计产气量图。由结果可知，如果不对发酵液的pH值进行调节，发酵液的pH值在发酵第3天就由第1天的7.02迅速降到4.5左右，一直到发酵的第15天pH值都维持在4.5左右，在这一阶段对应的日产量平均值只为200 mL左右，其产气速率在第16天才达到最大峰值为1220 mL·d-1，累计产气量为24930 mL，产气周期为51天。这是由于在发酵产乙醇时，酒糟经历了初步发酵过程，所以酒糟在沼气发酵初期，快速水解，产生大量的有机酸，同时产生大量的可溶性有机物，不产甲烷菌利用其产生的大量有机酸，同时产生的CO2也部分溶于水，使发酵系统的pH值下降产生酸化现象[7]。

图6 不同接种量下酒糟的日产气量图

图7 不同接种量下酒糟的累计产气量图

图8 两种条件下酒糟的日产气量图

图9 两种条件下酒糟的累计产气量图

如果在酒糟发酵前用1 mol·L-1的NaOH溶液将发酵液pH值调节到8.5左右，由结果可知，发酵液迅速进入正常产气阶段，酸化阶段只维持了3天左右，其产气速率在第9天就达到最大峰值为3710 mL·d-1，累计产气量为25200 mL，产气周期为32天。这是由于当产酸菌将酒糟中的有机物转化为有机酸后，在酒糟发酵前加入的碱性物质电离出的OH-就会中和一部分酸使发酵液快速进入产甲烷阶段。

3 结论

(1)以酒糟为原料沼气发酵省去了原料预处理过程，并且其中糖类、醇类、有机酸等易降解成分和小分子物质含量高，酒糟中碳氮比在25左右，是沼气发酵的最佳碳氮比，不用加入尿素等含氮物质进行调节，不但降低了成本，而且发酵启动速度快。

(2)酒糟从蒸馏塔出来之后具有一定的热量，采用高温沼气发酵方式能够充分利用酒糟的这部分热量，节约能耗的同时提高了产沼气量并缩短了产气周期。

(3)酒糟中含有一部分酶、酵母等物质，这都增加了酒糟的有效发酵产气成分，所以酒糟在高温下沼气发酵的最佳TS浓度为3.3%，比秸秆等沼气发酵的最佳TS浓度要低。

(4)酒糟在高温下沼气发酵的最佳接种物的添加量为1.5%，此时，酒糟的产气速率峰值出现时间以及累计产气量都达到最佳状态。

(5)在酒糟发酵前对发酵液的pH值进行调节可以使酒糟的酸化阶段缩短，从而快速进入产甲烷阶段。

(6)在高温55℃，TS浓度3.3%，接种物添加量1.5%，并在发酵前对发酵液pH值进行调节的条件下，酒糟产气速率在第9天达到最大峰值为3710 mL·d-1，产气周期为32天，原料产气率高达509 mL·g-1TS。